曝气生物滤池去除低温微污染水源水中氨氮的效能研究

摘要

目前我国作为一个饮用水资源极其匮乏的国家，对水资源，尤其是淡水资源的水质水量保护是刻不容缓亟待解决的一大问题。当前中的水环境污染严重，其中淡水资源污染的的一大污染物即为氨氮，其主要来源是农田排水中的肥料或是焦化废水等工业废水。而根据大量的水质监测可以看到目前我国国内的氨氮污染具有普遍性、特异性和季节差异性。普遍性即三种饮用水水源：河流型、湖库型和地下水型在全国范围内均有不同程度的污染；特异性即这种氨氮污染分地区和饮用水类型分别有不同的浓度阈值，而其季节差异性则表现在这些数量繁多的水源地基本上都在6、7月份高温期中氨氮浓度偏低，而在12~1月份低温期的污染较严重。目前我国绝大部分水厂采用的现行常规给水工艺：混凝沉淀过氯消毒对氨氮的去除率只有15%左右，而要在北方地区低温期3~5℃去除水中氨氮污染则更加困难。
　　本文以低温期较长的松花江水为处理对象，以单层曝气生物滤池和沸石-悬浮填料双层曝气生物滤池对研究对象，解决低温下氨氮去除困难的问题为研究目标，系统的研究了单双层曝气生物滤池在各种不同的环境温度条件下对氨氮的去除特性、生物沸石对氨氮的吸附特性以及分析了填料上生长的的微生物在不同温度下的结构和生物多样性差异性等的不同。
　　首先在单层曝气生物滤池启动时采用自然挂膜法。适当向水体投加氯化铵以保证硝化细菌生长所需氮源的充足。其中1号沸石填料选择6~8℃低温挂膜，2号沸石和3号陶粒为常温22℃挂膜。这三个单层BAF在10天内挂膜成功，且在常温期内氨氮去除率均在90%以上，其中2号BAF的去除率最高。随后降低环境温度至4℃，低温对单层BAF有较大的影响，其中1号反应器由于低温挂膜使得其在低温下仍能维持较高的生物硝化作用，加之沸石对氨氮的吸附和离子交换能力让其相对其他两个BAF对低温有较好的适应能力，即便这样1号在低温下的去除率也只有51.71%，且在低温下仍会发生亚硝酸氮积从而累影响氨氮去除率。单层BAF应对突然升高的氨氮浓度只能在短时间内缓冲氨氮负荷，随后可能发生沸石解吸附出现负去除的现象。
　　进而研究沸石-悬浮填料双层曝气生物滤池低温下对氨氮的去除能力，挂膜采用低温下人工接种挂膜法与自然挂膜法相结合，启动6天后去除率达到60%，平均去除率为61.30%。而二次启动后由于微生物休眠和填料上生物膜覆盖过厚导致去除率大幅下降，对此采用两点进气和进水进行扫洗，去除老旧生物膜，随后进行菌液闷曝回流增加生物量，低温4℃下运行22天后可见明显去除率上升，可达77%左右，出水氨氮浓度在0.5mg/L以下满足用水标准。可见双层曝气生物滤池比单层具有更好的低温氨氮去除效能，且硝化作用随运行时间变长而增强。
　　为进一步研究沸石吸附在曝气生物滤池中对氨氮去除效果的作用，对改性前后、挂膜前后的沸石进行5℃、25℃下的吸附容量试验；同时洗脱菌液进行氨氮浓度、环境温度影响实验。改性后的沸石无论在常温或低温环境下对氨氮的吸附容量均大于改性前的。不考虑生物硝化作用的前提下覆盖的生物膜会影响氨氮吸附，导致其吸附容量下降，但低温下生物膜中的微生物对水源水中的氨氮去除大有帮助，因此在低温条件下的曝气生物滤池中，生物沸石可以达到良好的去除效果。低温5℃下，氨氮初始浓度为4mg/L时的氨氮去除率最高；而在4mg/L的进水浓度下，其他条件不变，温度是影响整个硝化反应进程及速度的因素。在5~25℃区间范围内，随温度升高，生物活性越强，降解水中氨氮的完全程度越高。此时，温度已不再成为限制氨氮去除率的因素。
　　分析单双层BAF不同阶段的多样性统计指数和差异性可以发现长期的低温驯化会使群落发生菌种淘汰和分化。横向对比来看，随着运行时间越长，微生物的多样性和丰度都在增加，说明运行时间越长，生物填料系统的稳定性越高。分析单双层BAF的群落组成，有两种共有的硝化功能菌，分别是Nitrospira以及Candidatus_Nitrotoga。可以有根据的推测Nitrospira（硝化螺菌属）和Candidatus_Nitrotoga这两种硝化菌可以在低温环境下维持其氨氧化能力。而从双层曝气生物滤池进行闷曝前后的生物群落组成可以看出，闷曝后的微生物膜结构组成中，上下层的功能菌Nitrospira（硝化螺菌属）的相对丰度都要高于闷曝前的，结合闷曝后的氨氮去除效果来看：菌液闷曝对低温环境下曝气生物滤池的快速启动有着重要的研究意义和工程应用价值。

目录

第1章 绪 论

1.1 我国淡水氨氮污染特性及控制现状

1.2水体中存在氨氮污染的危害

1.3 现行处理饮用水中氨氮的方法

1.4 课题来源、目标及研究意义

1.5 课题主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验水质

2.2 实验药品和设备

2.3 实验装置设计及参数设定

2.4 各装置填料装填参数

2.5 检测方法

第3章 曝气生物滤池沸石性能研究及优化

3.1 沸石及改性沸石的研究

3.2 沸石吸附容量实验

3.3曝气生物滤池的运行参数优化

3.4 本章小结

第4章 单双层曝气生物滤池处理氨氮微污染水源水的性能评价

4.1 首次启动挂膜初期单层曝气生物滤池去除氨氮能力评价

4.2 转入低温期后三种单层曝气生物滤池对氨氮去除的效能分析

4.3 二次启动对单层曝气生物滤池去除氨氮效能的影响

4.4 低温条件下氨氮冲击负荷对单层BAF去除氨氮效能的影响

4.5 沸石-悬浮填料双层曝气生物滤池对氨氮的去除能力评价

4.6 曝气生物滤池氨氮去除的机制分析

4.7 本章小结

第5章 单双层曝气生物滤池中生物膜的微生物特性研究

5.1 单层曝气生物滤池的生物膜群落演替及多样性

5.2 双层曝气生物滤池的生物膜演替及多样性

5.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢

附图 1

附图 2